Wie Sie Ihr Oszilloskop für die vertikale Genauigkeit kalibrieren

Die Y-Achse wird fast ausschließlich zur Darstellung der Amplitude eingehender Signale verwendet. Diese werden über „Kanal“-Verstärker verarbeitet (mindestens zwei Kanäle, oft aber vier oder mehr). Zu den grundlegenden Einstellungsmerkmalen für die Amplitudenkalibrierung gehören:

• Nullpunktabgleich zum Raster (Offset)
• Abgleich des Vertikalverstärkers
• Umschaltung der Vertikalkanäle
• Betrieb der Alternate-/Chopped-Darstellung

Genauigkeit der horizontalen Ablenkung: Amplitude

Mehrfach-Spuren werden durch Alternate-Sweep-Umschaltung oder „Chopped“-Hochgeschwindigkeitsumschaltung erzeugt.

Alternate-Sweep-Umschaltung: Die Spur wird vollständig dargestellt, bevor zur nächsten umgeschaltet wird.

„Chopped“-Hochgeschwindigkeitsumschaltung: Die Eingänge werden abwechselnd mit hoher Geschwindigkeit abgetastet und in separate Kanäle geleitet (wird üblicherweise für niederfrequente Signale verwendet).

Alle Oszilloskope schalten zwischen verschiedenen Eingangskanälen um und leiten die Eingänge üblicherweise in ein gemeinsames Messsystem. Jeder Kanal verfügt jedoch über unterschiedliche Verstärker und Abschwächer, deren Verstärkungseigenschaften den Hauptfaktor für die vertikale Genauigkeit darstellen.

Bei der Kalibrierung jedes vertikalen Verstärkersystems müssen fünf Hauptparameter überprüft werden:

• Offset
• Verstärkung
• Linearität
• Bandbreite
• Impulsantwort

Diese Parameter sind entscheidend für eine genaue Darstellung des Signals. Für einen aussagekräftigen Vergleich von Signalen, die über verschiedene Kanäle angelegt werden, müssen deren Kanalparameter angeglichen werden.

Die Messung der Verstärkung eines Kanalverstärkers erfolgt üblicherweise durch Einspeisung eines Standardsignals und dessen Darstellung im Vergleich zum Bildschirmraster. Da die Verstärkerkopplung zwischen AC und DC sowie häufig zwischen 50 Ω und 1 MΩ umgeschaltet werden kann, müssen Signale eingespeist werden, die den Betrieb jeder dieser Kopplungsarten prüfen.

Üblicherweise werden zwei Standardsignale zur Messung der Verstärkung eines Verstärkers verwendet:

1. Bei DC-Kopplung wird entweder ein Gleichspannungssignal oder ein Rechtecksignal eingespeist, und die Reaktion des Kanals wird anhand der Rasterunterteilungen oder Cursor-Anzeigen auf dem Bildschirm gemessen.

Alle Fluke-Oszilloskopkalibratoren bieten Gleichspannungs- und 1-kHz-Rechtecksignalausgänge zur Prüfung von Verstärkung und Offset DC-gekoppelter Verstärker.

2. Bei AC-Kopplung wird ein Rechtecksignal mit 1 kHz eingespeist, und auch hier wird die Reaktion des Kanals anhand der Rasterunterteilungen oder Cursor-Anzeigen auf dem Bildschirm gemessen.

Die Verwendung eines niederfrequenten Impulses kann auch eine grobe Überprüfung des groben Nieder- (LF) und Hochfrequenz-(HF)-Verhaltens ermöglichen. Dies ist jedoch nur eine sehr grobe Prüfung auf starke Verzerrungen. Ein Ergebnis, das rechteckig erscheint, muss trotzdem noch hinsichtlich Impulsantwort und Bandbreite überprüft werden.

Alle Fluke-Oszilloskopkalibratoren stellen ein 1-kHz-Rechtecksignal zur Prüfung der LF-Verstärkung AC-gekoppelter Verstärker bereit.

Die Linearität von Kanalverstärkern kann durch Einspeisung eines Gleichspannungs- oder Rechtecksignals geprüft werden, wobei die Amplitude variiert und die Änderungen anhand des Rasters oder der Cursor-Anzeigen überprüft werden.

Impulsantwort

Die Betrachtung der Anstiegszeit schneller Impulsflanken ist eine von zwei sich ergänzenden Methoden zur Messung der Reaktion des Vertikalkanals auf gepulste Eingangssignale (zusätzlich sollte auch die Bandbreite des Verstärkers gemessen werden).

Die Reaktion auf schnelle Flanken hängt von der Eingangsimpedanz des zu prüfenden Oszilloskops ab. Üblicherweise werden zwei Standard-Eingangsimpedanzen verwendet: 50 Ω und 1 MΩ/(typischerweise) 15 pF. 1 MΩ ist der branchenübliche Eingang, der im Allgemeinen mit passiven Tastköpfen verwendet wird. Wo ein 50-Ω-Eingang vorhanden ist, bietet dieser eine optimale Anpassung an HF-Signale.

Zur Messung der Anstiegszeit wird das Impulssignal in den zu prüfenden Kanal eingespeist; Trigger und Zeitbasis werden so eingestellt, dass ein messbares Bildschirmbild entsteht, und die Anstiegs-/Abfallzeit wird anhand des Rasters oder der Cursor-Anzeigen gemessen. Die beobachtete Anstiegs-/Abfallzeit setzt sich aus zwei Komponenten zusammen: der des angelegten Signals und der des zu prüfenden Kanals. Diese werden als Wurzel aus der Summe der Quadrate kombiniert. Zur Berechnung der Zeit für den Kanal des Prüflings (UUT) muss daher folgende Formel verwendet werden:

Anstiegs-/Abfallzeit des Prüflings (UUT) = Quadratwurzel [(beobachtete Zeit)2 – (Zeit des angelegten Signals)2 ]

Bei manchen Oszilloskopen ist das vertikale Raster speziell mit 0 %, 10 %, 90 % und 100 % markiert, um die Impulsamplitude leicht an den 0 %- oder 100 %-Markierungen ausrichten zu können und anschließend die 10 %/90 %-Kreuzungspunkte anhand der Markierungen auf der mittleren horizontalen Rasterlinie zu messen. Viele moderne DSOs verfügen über Messcursor bzw. Funktionen, mit denen Anstiegszeitmessungen an genau diesen Punkten durchgeführt werden können.

Messung

In allen Fluke-Modellen werden zwei unterschiedliche Arten von Impulsen verwendet:

• Low-Edge-Funktion: ein Impuls mit niedriger Spannungsamplitude, angepasst an 50 Ω, mit einer Anstiegs-/Abfallzeit von deutlich weniger als 1 ns. Bei Verwendung der Formel zur Berechnung der Anstiegs-/Abfallzeit des Prüflings (UUT) muss die Anstiegszeit des angelegten Signals bei der letzten Kalibrierung des Kalibrators zertifiziert worden sein, und zwar möglichst nahe an der Amplitude des angelegten Impulses.
• High-Edge-Funktion: ein Impuls mit hoher Spannungsamplitude, angepasst an 1 MΩ, mit einer Anstiegszeit von höchstens 100 ns. Diese Funktion wird hauptsächlich zur Kalibrierung des Ansprechverhaltens der Kanalabschwächer des Oszilloskops verwendet.

Vorderflankenaberration

Aberrationen, also Überschwingen und Unterschwingen, sind auf dem Display sichtbar. Sie treten häufig am oberen Ende der Flanke auf, bevor sich die Spannung auf ihren Endwert (definiert als 100 %) einschwingt.

Werden Aberrationen zur Messung angezeigt, sollten sie innerhalb der Spezifikationsgrenzen liegen. Nähert sich die Aberrationsspezifikation des Oszilloskops derjenigen des Kalibrators an, müssen andere Kalibriermethoden angewendet werden.

Kanalbandbreite

Neben der Bestimmung der Impulsantwort durch Betrachtung eines Testimpulses auf dem Bildschirm sollte dies durch die Messung der Verstärkerbandbreite mittels eines „gepegelten Sinussignals“ ergänzt werden. Dies erfolgt bei einer Eingangsimpedanz von 50 Ω, um die Integrität der 50-Ω-Quelle und des Übertragungssystems zu erhalten.

Bei Oszilloskopen mit hoher Eingangsimpedanz wird ein in die Leitung eingefügter 50-Ω-Abschlusswiderstand verwendet, um die Leitung am Oszilloskopeingang anzupassen. Dieser 50-Ω-Abschluss kann in Form eines separaten 50-Ω-Abschlusswiderstands vorliegen oder in einen „aktiven“ Messkopf integriert sein – Letzterer bietet den Vorteil einer vollständigen Automatisierung und erfordert keine zusätzliche Kalibrierung.

Zunächst wird die angezeigte Amplitude der eingespeisten Sinuswelle bei einer Referenzfrequenz (üblicherweise 50 kHz) gemessen, dann wird die Frequenz bei gleicher Amplitude auf die festgelegte 3-dB-Frequenz des Kanals erhöht. Die angezeigte Amplitude wird erneut gemessen.

Die Bandbreite ist korrekt, wenn die beobachtete Amplitude am 3-dB-Punkt gleich oder größer als 70 % des Werts bei der Referenzfrequenz ist.

Soll der tatsächliche 3-dB-Punkt ermittelt werden, sollte die Frequenz so lange erhöht werden, bis die Spitze-Spitze-Amplitude 70 % des Werts bei der Referenzfrequenz beträgt; diese Frequenz liegt dann nahe am 3-dB-Punkt.